客运专线旅客列车开行方案优化研究

运输及经济研究所第‹#›页客运专线旅客列车开行方案优化研究运输及经济研究所第‹#›页研究内容•研究目的从客运专线旅客列车开行方案形成的整个过程出发，从运量预测、开行方案优化和运行图编制三个主要环节入手，对客运专线旅客列车开行方案进行整体协调优化，为客运专线的设计、建设、运营提供更加科学可靠的理论依据。•研究内容–研究进展和现状分析，总结存在的问题和不足–研究问题总体描述；阐述运量预测与列车开行方案制定之间的联系。–影响因素分析；旅客候车和中转换乘时间确定–客车开行方案优化模型的建立和推广–遗传算法设计–运行图编制的模型和算法设计运输及经济研究所第‹#›页研究现状•旅客列车开行方案优化的研究•运量预测的研究•旅客列车方案图编制的研究•计算机辅助系统的研究•研究中存在的问题–客车开行方案包括的内容较多，以往的研究工作多以某一方面作为研究对象，不够全面；–很少用到优化的方法来解决实际工作中的问题，只停留在理论研究阶段；–认识到了开行方案与客流预测和运行图编制之间的关系，但鉴于三者的复杂程度，并没有进行全面的深入研究；–不论在理论研究方面，还是实际应用中，都没有形成一套完整的体系。运输及经济研究所第‹#›页研究问题的总体描述•列车开行方案的内容–列车运行特性——起讫点、运行径路、途中停站方案等；–列车性质——列车等级、种类、数量等；–设备利用情况——列车编组内容、车底运用、客座利用等。•列车开行方案的形成过程–客流OD的生成与分析——前提和基础；–列车开行方案的制定与优化；–旅客列车方案运行图编制——方案的最终形成和具体实施。运输及经济研究所第‹#›页•开行方案形成过程的对应工作–运量预测阶段需要的列车服务属性，是在客流输送方案制定后才产生的，而且是在运行图编制以后才被确定的；–客流输送方案制定阶段所需要的客流参数，是通过客流预测得到的；–运行图编制阶段所需要的列车参数，必须要在列车输送方案优化后才能得到。子过程需要相关参数相关优化内容相关优化结果运量预测服务属性（旅行时间、候车时间、服务频率等）客流预测路网配流客流OD、客流密度高峰客流分布等客流输送方案制定客流参数、运行径路、列车能力利用参数、时间消耗参数等列车输送方案客流搭乘方案列车数量、起讫点途中停站运行图编制列车参数等运行图铺画动车组周转列车旅行、停站、接续时间；服务频率；车组周转及数量运输及经济研究所第‹#›页•开行方案的优化方式–列车开行方案单独优化–列车开行方案与运行图编制两个阶段的综合优化–列车开行方案与客流OD生成两个阶段的综合优化–三个阶段的整体综合优化•采用统一的综合优化模型和算法来实现–任何一个都是复杂的优化问题，统一后复杂程度将大大提高–三项工作由不同部门分别独立完成的，将其融为一体难度相当大•采用各个阶段顺序优化、循环迭代的形式服务属性（旅行时间、候车时间、服务频率等）运量预测客流OD、客流密度；高峰客流分布等客流输送方案制定运行径路、能力利用参数列车数量、起讫点、途中停站方案运行图编制列车旅行、停站、接续时间；服务频率车站参数、线路参数等初始参数客运专线旅客列车开行方案优化过程关系图时间消耗参数社会经济参数、成本参数、路网参数运输及经济研究所第‹#›页运量预测用伯克森－泰尔法估计LOGIT模型中效用函数的系数直接需求模型各OD中各种运输方式未来年度无客运专线条件下总运量预测运量分配模型诱发运量预测模型各OD中各种运输方式未来年度有客运专线条件下总运量预测各OD中各种运输方式未来年度市场份额的预测各OD中未来年度客运专线运量的预测各OD点社会经济参数调查运量预测过程框图expexpkijkijkijkUPU12345kkkkkijkkijkijkijkijUBBCBTLBTZBTH1lnexp()ijijkijkAERUexp1expbaiiIijiiIUIRU运输及经济研究所第‹#›页模型结构中都包含有广义费用，客运专线运量预测的结果取决于其服务属性。–（1）旅行时间–（2）旅客进出站时间、费用–（3）旅客在站等候时间–（4）运价水平——从国民经济、生活水平、支付能力、比价关系，以及客运专线技术经济特性和优势几个方面综合确定。–（5）旅客时间价值——通过统计数据运用效用函数模型标定基年旅客时间价值，预测年度时间价值增长率按客运专线影响区GDP的平均增长速度确定。旅行时间、候车时间必须通过客运专线列车开行方案的制定才能精确得到。运输及经济研究所第‹#›页影响因素分析•基本原则以客流为依据，城市（车站）为基点，充分利用现有设备（线路和车辆），努力提高客运专线旅客列车开行方案的经济效益和社会效益。•影响因素分析–客流及列车径路•客流OD——客流径路——列车径路–列车编成及线路能力•区间最大通过能力：最小追踪间隔时间、列车种类•列车编成：列车运行距离、运行径路上沿途车站到发线有效长、站台长度、牵出线长度、动车组单元类型、牵引供电水平、追踪间隔时间、线路能力•公交化运营组织方式，保证较高的服务频率，采用相对固定、较小编组的形式•确定：线路能力——最大客流密度区段高峰小时客流量——列车编成——定员–经济效益•经济效益主要来自于客票收入；旅客列车经济效益核算方法都要确定出客运总成本；总成本、票价和列车定员确定后，总利润与客座利用率之间存在关系：•总利润=客票单价×列车输送客座能力×客座率－客运总成本•上座率提高——铁路收入增加——旅客服务水平下降——铁路收入下降•保证铁路收入和旅客服务水平——确定合理的列车客座利用率–旅行时间——社会效益的体现•旅客候车时间消耗——候车集结到达过程•列车停站时间消耗——列车停站方案；同等级车站的途中停站时间基本相同•列车运行时间消耗——列车技术速度，取决于列车等级•旅客换乘时间消耗——列车服务频率及相互列车的接续时间运输及经济研究所第‹#›页始发客流候车集结过程分析•始发客流候车集结过程的特点及其数学描述–客流到达的随机过程描述客流到达——简单计数过程——齐次泊松过程–到达间隔的随机描述在客流的集结过程是具有强度λ的齐次泊松过程时，则其到达间隔时间是服从指数分布的随机变量序列。–到达数量的随机描述客流的集结到达过程——标值点过程•候车集结时间的确定，；假设的期望值收敛，记为。•结论每个旅客所消耗的平均候车集结时间为可用平均上座率来描述，T可用列车服务频率来描述。门到站的时间消耗、购票等其他的额外消耗，暂不考虑。)(),...,,(21ZnTTTTn)]()[()(21)(0iijuEArEtETE()1iEt()ErTiuuuEi)(0(1)22jiTuTtrAminmax,i运输及经济研究所第‹#›页时间消耗与列车服务频率的关系分析•候车时间消耗与列车服务频率的关系分析–旅客全天候候车假定整个过程的持续时间从前日最后一列可服务于客流的列车出发时起，到今日最后一列可服务于客流的列车出发时止。候车集结时间消耗完全取决于列车的分布情况。在平均分布时有：–旅客只在日间行车时间段内候车–旅客只在同类列车间隔时间内候车或•中转换乘时间消耗与列车服务频率的关系分析在平均分布情况下，当到达列车数为nu，出发列车数为nv时，平均旅客中转时间为td/2nv，它与到达的列车数量是无关的。14401()22jnEtn1()22cjtnEtn1440()2jEtn()2cjtEtn运输及经济研究所第‹#›页列车开行方案优化模型构建最优的旅客列车开行方案（始发站、终到站、途中停站方案）总要对应最优客流输送方案（旅客出行方式选择问题）•相关边界假定–单向性假设——直线型客运专线某一个方向的列车开行方案优化–确定性假设——客流OD、列车径路、列车定员、上座率是确定–相似性假设——列车区间运行时间、定员相同–能力假设——区间通过能力已确定，车站能力不产生约束–客流理性假设——出行方式的选择只取决于开行方案–系统封闭性假设——系统状态的变化只取决于内部影响因素•列车类型及组合输送方案的描述车站的有序集合；列车种类集合；途中停站集合路段集合；列车接续方案；中转站集合路段－列车－乘车方案关联矩阵；客流输送方案－中转站点关联矩阵始发站点－乘车方案关联矩阵；始发站点－列车－乘车方案矩阵•决策变量的定义Xijk——以i为O点，j为D点的选择乘车方案Lk的旅客数量运输及经济研究所第‹#›页•优化目标–铁路部门经济效益：合理的上座率来保障——约束条件（目标约束法）；–旅客出行成本：票价和时间成本所有旅客在途时间总和最短——优化目标•运行时间消耗•停站时间消耗•始发候车集结时间消耗•中转时间消耗通过前述的各种集合和关联矩阵，可以描述出各种列车的数量、旅客停站及次数、旅客中转站及次数，进而得到各种时间消耗。•约束条件客流约束、区间通过约束、列车服务能力约束方案可行性约束、变量取值约束•模型特点–模型为非线性整数规划问题，非线性都集中表现在目标函数–模型存在如下组合优化的特点•列车由沿途经由站点的组合形式描述•接续方案由列车的组合描述•旅客的出行由接续方案的组合来描述–由于没有涉及到运行图的实际编制问题，很多参数都采用了假设或平均值–求解非常困难——采用现代优化算法,,,,()00,,.min().0xttzzzffijkijkijijkkiakdaajkfaikjkhhuufjuudiujtuisijkkkijkobjTTTTTxNxnxNxNnCstnANnANxiLjLxZ运输及经济研究所第‹#›页•模型的进一步推广–网状线路结构的推广分解算法：–直线型线路上单方向旅客列车开行方案的优化问题–各线路旅客列车开行方案在衔接站的协调优化问题静态模型，不涉及连续性时间参数和变量，较计算机编图更适合采用。必须对列车集合在整个线路结构上统一确定，列车的运行方向不会对问题造成影响。–跨线列车和跨线客流的处理•长途跨线客流，自然形成换乘，转化为衔接站上的本线客流；•短途跨线客流，具备分离条件的（已确定了列车类型为B类，由既有线的列车开行方案已确定了其输送方案的除外）可以与本线客流分开考虑，单独进行优化求解；•短途跨线客流，若不可分离，可按研究线路的拆分形式进行拆分，转化为接入站上的本线客流进行统一的优化计算，而后与其他部分合并后确定列车形式。运输及经济研究所第‹#›页算法设计•遗传算法介绍启发式随机搜索技术–编码原则•完备性、健全性、非冗余性•–收敛性•全局最优算法•时间复杂度O(O(f)nlnn)–GA欺骗问题–约束条件的处理•抛弃不可行解方法、基于智能编码的方法、改变遗传算子法、修补方法、罚函数法•DCPM法——保留部分不可行解运输及经济研究所第‹#›页•方案优化模型转换–求解思路：•用列车开行方案Xi代替xijk•构造Xi下的列车运行网络Gi＝(Vi,Ei,Ci,Hi,Pi)•在Gi上得到客流N={nij}的最优分配方案按上述求解思路，可将原模型描述为：Z=min{f(Fi)|Gi(Xi)}–求解的主要工作：•由Xi构造Gi•Gi中最小费用流fi的计算运输及经济研究所第‹#›页•个体编码处理–变量构造及个体编码含义Xk＝{xij}k为0-1矩阵•行——客运专线上车站—区间—车站的顺序结构；•行数mi是固定的由线路结构确定；•列——列车在车站通过、停车、始发、终到或在区间运行的状态；•列数mj由线路上所有区段中的最大列车数max{min{nq,cq|q}}确定–个体冗余性处理•车站取值冗余——车站取值约束|xi+1,j-xi-1,j|≤xij≤xi+1,j+xi-1,j(i=2n,n∊Z+,j=1,2.…,mj)•列排序冗余——字典排序–车站限制处理：•车站不办理客运业务：取消该车站，将相邻区间合并•车站不办理列车的始发和终到作业取值约束|xi+1,j-xi-1,j|≤xij≤xi+1,j×xi-1,j(i=2n,n∊Z+